Les scientifiques ont visualisé comment les plantes communiquent en utilisant des composés organiques volatils (COV) lorsqu’elles sont menacées, un phénomène identifié pour la première fois en 1983. L’équipe a découvert que les plantes interprètent ces COV comme des signaux de danger, provoquant une réponse défensive. À l’aide d’équipements et de techniques d’imagerie innovantes, ils ont identifié les COV spécifiques responsables ainsi que les cellules des plantes qui réagissent en premier. Leurs recherches offrent des informations approfondies sur les mécanismes de communication complexes des plantes et sur leur résilience face aux dommages potentiels.
Les chercheurs ont visualisé la communication de plante à plante via des composés aéroportés, identifiant les signaux spécifiques et les réponses cellulaires qui activent les défenses des plantes contre les menaces.
Communication aérienne entre les plantes
Les plantes émettent des composés organiques volatils (COV) dans l’atmosphère lors de dommages mécaniques ou d’attaques d’insectes. Les usines voisines en bon état perçoivent les COV libérés comme des signaux de danger pour activer des réponses de défense contre les menaces à venir (Figure 1). Ce phénomène de communication aérienne entre les plantes via les COV a été documenté pour la première fois en 1983 et a depuis été observé dans plus de 30 usines différentes. espèces. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents à la perception des COV et à l’induction de la défense restent flous.
Figure 1 : Les plantes libèrent des COV dans l’atmosphère lorsqu’elles sont endommagées par les insectes. Les plantes voisines intactes détectent les COV et activent des réponses de défense préventives contre les insectes. Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
Visualisation révolutionnaire des conversations végétales
L’équipe, dirigée par le professeur Masatsugu Toyota (Université de Saitama, Japon), a visualisé les communications entre plantes via les COV en temps réel et a révélé comment les COV sont absorbés par les plantes, initiant ainsi le Ca.2+-des réponses de défense dépendantes contre les menaces futures.
Cette recherche révolutionnaire sera publiée dans la revue Communications naturelles le 17 octobre 2023. Yuri Aratani et Takuya Uemura ont dirigé les travaux en tant que doctorants. respectivement étudiant et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Toyota et a collaboré avec le professeur Kenji Matsui de l’Université de Yamaguchi, au Japon.
Vidéo 1 : Les signaux Ca2+ ont été induits par les COV libérés par les plantes endommagées par les insectes (flèches). Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
«Nous avons construit un équipement pour pomper les COV émis par les plantes nourries par les chenilles vers les plantes voisines intactes et l’avons combiné avec un système d’imagerie fluorescente en temps réel en champ sauvage», explique Toyota. Cette configuration innovante a permis de visualiser des éclats de fluorescence se propageant dans une plante de moutarde Arabidopsis thaliana après exposition aux COV émis par les plantes endommagées par les insectes (Figure 2 ; Vidéo 1). Les plantes créent des capteurs de protéines fluorescents pour le Ca intracellulaire2+ et donc des changements dans le Ca intracellulaire2+ la concentration peut être surveillée en observant les changements de fluorescence.
« En plus des attaques d’insectes, les COV libérés par les feuilles écrasées manuellement ont induit du Ca2+ signaux dans les usines voisines en bon état », explique Toyota (Vidéo 2).
Figure 2 : Panneau de gauche : Équipement pour exposer Arabidopsis intact aux COV émis par les plantes endommagées par les insectes (flèche pointillée). Panneau de droite : les signaux Ca2+ (pointes de flèches jaunes, 600 et 1 200 s) ont été induits par les COV libérés par les plantes endommagées par les insectes (flèche pointillée). Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
Identification des COV clés et de leur impact
Pour identifier quel type de COV a induit le Ca2+ signaux dans les plantes, l’équipe de scientifiques de Toyota a étudié divers COV connus pour induire des réponses de défense chez les plantes. Ils ont découvert que deux COV (Z)-3-hexénal (Z-3-HAL) et (E)-2-hexénal (E-2-HAL), les deux aldéhydes à six carbones, induisent du Ca2+ signaux dans Arabidopsis (Figure 3 ; vidéo 3). Z-3-HAL et E-2-HAL sont des produits chimiques en suspension dans l’air avec des odeurs d’herbe et sont connus sous le nom de substances volatiles des feuilles vertes (GLV) émises par les plantes endommagées mécaniquement et par les herbivores.
Vidéo 2 : Les signaux Ca2+ ont été induits par les COV libérés par les plantes brisées manuellement. Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
Exposer Arabidopsis à Z-3-HAL et E-2-HAL a entraîné une régulation positive des gènes liés à la défense. Comprendre la relation entre le Ca2+ signaux et les réponses de la défense, ils ont traité Arabidopsis avec le Ca2+ inhibiteur de canal, LaCl3 et le Ca2+ agent chélateur, EGTA. Ces produits chimiques ont supprimé à la fois le Ca2+ signaux et l’induction de gènes liés à la défense, fournissant la preuve que Arabidopsis perçoit les GLV et active les réponses de défense dans un Ca2+-manière dépendante.
Figure 3 : Le Z-3-HAL aéroporté (ligne pointillée orange) a induit des signaux Ca2+ (pointes de flèches jaunes, 120 et 370 s) dans les feuilles d’Arabidopsis. Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
Cellules de garde : la porte d’entrée des plantes vers la conscience
Ils ont également identifié quelles cellules spécifiques présentaient le Ca2+ signaux en réponse aux GLV en concevant des plantes transgéniques exprimant les capteurs de protéines fluorescentes exclusivement dans les cellules de garde, de mésophylle ou d’épiderme. Sur ZExposition -3-HAL, Ca2+ les signaux ont été générés dans les cellules de garde en 1 minute environ, puis dans les cellules du mésophylle, tandis que les cellules épidermiques généraient du Ca2+ signaux plus lentement (Vidéo 4). Les cellules de garde sont des cellules en forme de haricot situées à la surface des plantes et forment des stomates, de petits pores qui relient les tissus internes et l’atmosphère.
Vidéo 3 : Le Z-3-HAL aéroporté (dans le tube du côté droit) a induit des signaux Ca2+ dans les feuilles d’Arabidopsis. Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
« Les plantes ne possèdent pas de » nez « , mais les stomates servent de passerelle végétale permettant une entrée rapide du GLV dans les espaces interstitiels des tissus foliaires », explique Toyota. En fait, ils ont constaté que le prétraitement avec abscissique acide (ABA), l’une des phytohormones connues pour sa capacité à fermer les stomates, réduit le Ca2+ réponses dans les feuilles de type sauvage. D’autre part, les mutants présentant une fermeture stomatique altérée induite par l’ABA maintenaient un Ca normal.2+ signaux dans les feuilles même lorsqu’elles sont traitées avec l’ABA.
« Nous avons enfin dévoilé l’histoire complexe de quand, où et comment les plantes réagissent aux ‘messages d’avertissement’ aériens de leurs voisins menacés », dit-il. « Ce réseau de communication éthéré, caché à notre vue, joue un rôle central dans la protection en temps opportun des usines voisines contre les menaces imminentes », ajoute-t-il.
Vidéo 4 : Le Z-3-HAL aéroporté a induit des signaux Ca2+ dans la garde (vidéo de gauche), le mésophylle (vidéo centrale), puis les cellules épidermiques (vidéo de droite) dans les feuilles d’Arabidopsis. Crédit : Masatsugu Toyota/Université de Saitama
Cette recherche pionnière approfondit non seulement notre appréciation du monde étonnant des plantes, mais souligne également les façons remarquables dont la nature les a équipées pour prospérer et s’adapter face à l’adversité. Les implications profondes de ces découvertes résonnent bien au-delà des frontières de la science végétale, offrant un aperçu de la tapisserie complexe de la vie sur Terre.
Financement : Société japonaise pour la promotion de la science, Agence japonaise pour la science et la technologie, Fondation Shiraishi pour le développement scientifique
